Der Aufbau eines erfolgreichen Linearbewegungssystems beginnt mit der Auswahl des geeigneten Aktuators. Zwischen den verschiedenen Größen, Technologien und Qualitäten gibt es Hunderte von Optionen. Der Trick besteht darin, den Aktuator auszuwählen, der die besten Ergebnisse liefert. Glücklicherweise ist das nicht so schwierig, wie es sich anhört. Die Anforderungen der Anwendung reduzieren die Auswahl möglicher Antriebslösungen und die Einschränkungen des Projekts bestimmen die beste Lösung.

Der Prozess beginnt mit der Berücksichtigung der hier aufgeführten Schlüsselfaktoren.

Geschwindigkeit

Geschwindigkeit ist ein wichtiger Faktor, der bei der Auswahl eines Aktuators berücksichtigt werden muss. Obwohl Schraubenantriebe effektive und wirtschaftliche Komponenten sind, kommt es bei sehr hohen Geschwindigkeiten zu einem Phänomen, das als „Screw Whip“ bekannt ist und bei dem sich die Schraube beim Drehen nach außen verbiegt. Die Schneckenpeitsche verursacht Vibrationen und vorzeitigen Verschleiß.

Der Schwellenwert für den Schneckenschlag, die sogenannte kritische Geschwindigkeit, hängt von den Abmessungen und dem Material der Schnecke ab. Die kritische Geschwindigkeit kann analytisch anhand bekannter Gleichungen berechnet werden. Wenn die Geschwindigkeit für den Einsatz eines Schraubenantriebs zu hoch ist, sollten Sie einen Linearmotor oder einen Riemenantriebsantrieb in Betracht ziehen.

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Es ist wichtig, dass der Aktuator für die Last angemessen dimensioniert ist. Bei der Dimensionierung der Tragfähigkeit sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen: die radiale Tragfähigkeit der Führungslager, die Momententragfähigkeit des Stützschlittens und die axiale Tragfähigkeit der Stützlager und der Kugelumlaufspindel. Es ist wichtig, einen Aktuator zu wählen, der für die Belastungen der Anwendung ausgelegt ist.

Ein weit verbreitetes Missverständnis besteht darin, dass nur die Belastbarkeit von Bedeutung ist und dass die Belastbarkeit es ermöglicht, die Lebensdauer eines Aktuators unter einer bestimmten Last zu berechnen. Es müssen jedoch auch andere Faktoren berücksichtigt werden, beispielsweise die Steifigkeit des Aktuators in verschiedenen Lastrichtungen. Das Designteam kann Last-Durchbiegungsberechnungen durchführen, um festzustellen, ob der Aktuator in der Anwendung erfolgreich funktioniert.

Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist die Positionierung der Last. Eine Masse, die auf einem Schlitten ruht, der entlang der Achse des Aktuators verläuft, übt ganz andere Kräfte aus als eine fliegende Last, die ein Kippmoment ausübt. Stellen Sie sicher, dass der Antrieb richtig dimensioniert und abgestützt ist.

Vertikale Anwendungen erfordern besondere Sorgfalt, um die Position der Last zu bewahren. Bei bestimmten Konstruktionsparametern sind Gewindespindeln selbsthemmend. Dies bedeutet, dass sie auch bei einem Motorausfall nicht zurückgefahren werden können. Um sicherzustellen, dass eine Schraube selbstsichernd ist, muss der Wirkungsgrad der Schraube unter 50 % liegen, wobei der Wirkungsgrad eine Funktion des Steigungswinkels und des Reibungskoeffizienten zwischen Mutter und Schraube ist. Alternativ können auch Zahnstangenantriebe eingesetzt werden.

Gürtel haben sich in den letzten Jahren deutlich verbessert. Sie sind robust und hochentwickelt, sodass sie nicht mehr wie früher regelmäßig gespannt werden müssen. Riemenantriebe sind eine gute Wahl, wenn die Geschwindigkeits- und Hubanforderungen außerhalb der Möglichkeiten einer Kugelumlaufspindel oder Leitspindel liegen. Besondere Vorsicht ist geboten, wenn ein Riemenantrieb in einer vertikalen Anwendung verwendet wird. Aus Sicherheitsgründen wird empfohlen, je nach Bedarf ein Gegengewicht oder eine Bremse zu verwenden, um die Last zu verlangsamen, anzuhalten und zu stützen.

Hublänge

Der nächste zu berücksichtigende Faktor ist die Hublänge. Aktuatoren auf Schraubenbasis sind effektiv und können in einigen Fällen für Hübe von bis zu 5 Fuß oder mehr verwendet werden. Bei Spindelantrieben mit sehr langem Hub muss darauf geachtet werden, dass die kritische Geschwindigkeit nicht überschritten wird. Für große Hublängen sind Riemenantriebe die bessere Wahl. Heutige Riemen bestehen aus hochentwickelten Materialien, die nur wenig Wartung erfordern. Sie können über Entfernungen von bis zu 50 Fuß eingesetzt werden.

Eine weitere Option für große Hübe ist ein Linearmotor. Linearmotoren sind im Wesentlichen abgerollte Servomotoren und bestehen aus einer Kraft, die sich entlang einer festen Magnetbahn bewegt. Theoretisch kann die Strecke beliebig lang sein. Aus praktischer Sicht sind Linearmotoren sowohl durch die Anforderung, eine ebene, sorgfältig ausgerichtete Magnetbahn bereitzustellen, als auch durch die Kosten der Magnete begrenzt. Auch die Verwaltung der Motorkabel über sehr lange Strecken kann eine Herausforderung darstellen.

Wiederholbarkeit

Jede Anwendung hat eine Wiederholbarkeitsanforderung. Durch die richtige Wahl des Aktuators entsteht ein System, das nicht nur diese Anforderungen erfüllt, sondern auch dazu beiträgt, dass das Projekt seine Budget- und Montagezeitziele einhält. Schraubenantriebe liefern eine Wiederholgenauigkeit in der Größenordnung von ±0,0001 bis ±0,003 Zoll. Dies steht im Vergleich zu ±0,002 bis ±0,010 Zoll bei einem Riemenantrieb.

Die optimale Wahl hängt von den Anforderungen der Anwendung ab. Riemenantriebe sind nicht so leistungsfähig wie Schraubenantriebe, aber bei Anwendungen mit weniger Toleranzen können Riemenantriebe erhebliche Einsparungen bieten. Für anspruchsvollere Anwendungen bieten Linearmotoraktuatoren eine Wiederholgenauigkeit, die im Submikrometerbereich liegen kann.

Arbeitszyklus

Der Arbeitszyklus hat einen großen Einfluss auf die Lebensdauer der Ausrüstung. Es ist wichtig, einen Linearantrieb zu wählen, der die Anwendungsanforderungen erfüllt. Leitspindeln beispielsweise basieren auf Gleitkontakten – typischerweise Edelstahl mit Kunststoff (je nach Anwendung stehen viele Optionen zur Verfügung). Dies führt über die Lebensdauer des Geräts zu einem erheblichen Verschleiß. Daher sollten Leitspindeln vermieden werden, wenn Sie eine Anwendung mit hoher Belastung und hoher Einschaltdauer haben.

Wählen Sie stattdessen einen Antrieb mit Kugelumlaufspindel. Diese Geräte verfügen über Rollreibung und nicht über Gleitreibung, sodass sie länger halten und die Lebensdauer vorhersehbarer ist. Insbesondere bei hoher Belastung können Kugeln jedoch beschädigt werden. Für Anwendungen, die einen Ausfall nicht tolerieren, versuchen Sie es mit einem Planetenrollengewindetrieb. Diese Geräte verteilen das Gewicht, um den Verschleiß zu minimieren, und eignen sich daher unter anderem gut für Anwendungen im Militär und in der Luft- und Raumfahrt. Für preisgünstige Anwendungen kann auch ein Riemenantrieb funktionieren.

Umfeld

Auch die Betriebsumgebung einer Anwendung hat Einfluss auf die Wahl des Aktuators. Vermeiden Sie in einer Reinraumumgebung Spindelantriebe. Der Metall-Kunststoff-Kontakt erzeugt Partikel, die die Reinraumbewertung beeinträchtigen.

Umgekehrt können stark verschmutzte Umgebungen die Aktoren beschädigen. Bei Stangenantrieben ist die Schraube im Gehäuse abgedichtet. Daher sind Stangenantriebe in Umgebungen mit Verschmutzung und Flüssigkeit einigermaßen sicher. Bei stangenlosen Antrieben ruht die Last auf einem Schlitten, der mit der Schraube verbunden werden muss, wodurch der Antrieb einer Verschmutzung ausgesetzt werden kann.

Daher benötigen stangenlose Aktuatoren besondere Vorkehrungen, unabhängig davon, ob die Basistechnologie ein Schraubenaktuator oder ein Linearmotor ist. Suchen Sie nach Komponenten mit IP-Schutzart. Erwägen Sie die Montage des Schlitzes nach unten, um das Eindringen von Luft zu reduzieren. Beachten Sie, dass durch die Schmierung Partikel eingefangen und festgehalten werden können, die im Laufe der Zeit Oberflächen beschädigen können.

Ein weiterer Faktor, den es im Hinblick auf die Umgebung zu berücksichtigen gilt, ist der verfügbare Platz. Der beste Aktuator der Welt nützt nichts, wenn er nicht in die vorhandene Hülle passt. Spezifizieren Sie Aktuatoren frühzeitig in der Entwurfsphase, um sicherzustellen, dass ausreichend Platz vorhanden ist. Arbeiten Sie eng mit Ihrem Anbieter zusammen, um alle Faktoren zu nutzen, die die von Ihnen benötigten Eigenschaften in einem kompakten Formfaktor liefern können.

Budget

Es ist immer wichtig, Preisziele im Auge zu behalten. Linearmotoren sind am teuersten, gefolgt von Schraubenantrieben (Planetenspindel, Kugelumlaufspindel und Leitspindel). Riemenantriebe sind am wirtschaftlichsten.

Engineering ist immer mit Kompromissen verbunden. Die obige Liste ist ein erster Ausschnitt zur Auswahl des Aktors. Für eine bestimmte Anwendung können besondere Einschränkungen dazu führen, dass beispielsweise das Budget eine größere Priorität hat als die Leistung oder dass der Arbeitszyklus wichtiger ist als die Geschwindigkeit. Beginnen Sie so früh wie möglich in der Entwurfsphase mit der Spezifikation eines Aktuators. Versuchen Sie, mit Standardkomponenten zu arbeiten. Wenn nichts davon Ihren Anforderungen entspricht, sprechen Sie mit Ihrem Anbieter über die Entwicklung eines maßgeschneiderten Produkts, das die Aufgabe erfüllt.